以“機電傳動與控制”課程為中心的課程體系的研究

雷 利，孫 雪，馮 嵩，孫 楊

（沈陽城市建設學院，遼寧 沈陽 110167）

1 “機電傳動與控制”課程在OBE 人才培養方案中的地位

機械電子工程專業的人才培養方案是基于OBE理念提出來的。所有的課程配置的最終目的都是以成果為導向，進行以學生為中心的教學持續改進，從而培養適應社會發展的人才。

“機電傳動與控制”課程要求學生通過學習直流電機、異步電動機、控制電機、機電傳動系統、低壓控制電路的設計這5 章內容，具備以下幾種能力：能夠針對機械設計、電控設計等方面的工程問題建立適當的機電模型，并進行正確的分析，給出解答；培養機電工程設計思想，掌握電動機的實際應用問題以及控制電路的設計方法，利用合適的方案解決問題；能夠應用制圖知識完成電器控制圖的設計、接線等操作，實現電氣控制要求；能夠在機械和電氣控制的學科交叉背景下，建立團隊，明白團隊的意義，明白個體在團隊中的角色擔當；通過課堂學習和課后學習，明白自主學習的重要性和終身學習的必要性。

因此課程目標的實現，僅僅依靠課程本身是很難實現的，學習其他課程也要實現課程目標，才能更好地為后續課程打下夯實的基礎，才能實現人才培養方案的畢業要求。因此，為了實現“機電傳動與控制”課程的教學目標，研究其控制類課程體系的關聯性十分必要。

2 “機電傳動與控制”課程與先修課程之間的關聯性研究

“機電傳動與控制”課程的先修課程有“大學物理”“電工電子技術”“控制工程基礎”“機械設計基礎”等。現對先修要求課程的某個內容與“機電傳動與控制”課程的關聯性進行了研究。以下對各個課程與“機電傳動與控制”的關聯性進行了舉例闡述。

2.1 “機電傳動與控制”與“大學物理”

“機電傳動與控制”第一章講解的內容為直流電機，直流電機因可逆原理分為2 種，一種是直流電動機，由電能轉化為機械能；一種是直流發電機，由機械能轉化為電能。在直流電機結構相同的情況下出現2種工作情況，與直流電機的工作原理有直接關系。當作為發電機使用時，直流發電機將輸入機械功率轉換成電功率輸出；且利用換向器和電刷，直流發電機將導體中的交變電勢和電流整流成直流輸出；直流發電機導體中的電流與運動電勢方向相同。而直流電動機的工作過程卻是外接電源后，電源回路的電流通過電刷裝置和換向器到轉子線圈中，因左手定則作用判斷受電磁力的作用而產生的電磁轉矩。這一系列的知識理解都需要學生們在“大學物理”中掌握靜止電荷的電場、恒定電流的磁場、電磁感應、電磁場理論的相關知識。

機電傳動系統實質上是一個機、電統一的運動系統，有運動就必然存在力學問題。電動機的運動雖然是旋轉運動，但仍可根據直線運動中的力學定律來求解運動方程式。

因此，機電傳動系統的運動學基礎是基于“大學物理”中的能量守恒定律去判斷生產機械的運動狀態[1]。不管這個機械的運動狀態如何復雜，都應該滿足能量守恒的定律。這個運動狀態與電機產生的轉矩與負載產生的轉矩有直接關系。

因此學生學習直流電機這個章節前，需對學生大一下半學年掌握的“大學物理”的相關知識進行摸底，從而幫助學生更好掌握直流電動機的重要知識點。

2.2 “機電傳動與控制”與“電工電子技術”

“機電傳動與控制”第二章講解的內容為交流電動機。該章節的難點內容是三相異步電動機的工作原理以及三相異步電動機定子電路與轉子電路的分析[2]。三相異步電動機的工作原理是基于定子旋轉磁場和轉子電流的相互作用。當三相電源與異步電機的定子繞組連接以后，電生磁，產生感應電動勢，從而根據右手定則、安培定律、左手定則等物理知識，判斷轉軸轉動。整個過程涉及三相異步電動機旋轉磁場的產生、旋轉磁場的旋轉方向、旋轉磁場極對數與旋轉速度的關系，都和“電工電子技術”的相關知識密切相連。這個章節主要涉及“電工電子技術”基礎的知識點是正弦交流電路及三相交流電路。該章要求學生能分析正弦交流電路的基本概念、基本規律，列入相量對正弦交流電路進行分析計算；討論三相電源和三相負載的星形和三角形的連接，線電壓與相電壓、線電流與相電流的關系，以及三相電路的功率。

按照2018 級人才培養方案，“電工電子技術”屬于學科基礎教育課程。機械電子工程專業的學生在大一下半學年和大二上半學年完成。正弦交流電路及三相交流電路的相關知識點在此課程中也是難點，因此進行這章節學習前，需要對學生進行摸底，如果掌握得不太好，需加強課前預習和課堂學習。

2.3 “機電傳動與控制”與“控制工程基礎”

“機電傳動與控制”第四章主要講授的內容為機電傳動控制系統的基礎。機電傳動系統是由電動機、電氣元件及電力電子裝置等組成。根據生產機械的要求，機電傳動系統可以構成開環控制系統和閉環控制系統[3]。開環控制系統沒有反饋回路，只有輸入量對輸出量的單方向控制，而沒有對輸出量的執行情況檢測的系統。例如步進驅動的數控機床就是開環控制系統。教材用直流電動機進行舉例，講解了開環控制系統中電機的角色以及使用該系統的優缺點。閉環控制系統有反饋回路，利用對輸出量的檢測并與給定的輸入的比較值來控制系統的運行。例如伺服驅動的數控機床是開環控制系統。教材用采用轉速負反饋的直流電動機調速系統為例介紹閉環控制系統。但這些內容遠沒有“控制工程基礎”課程講授得詳細，因此需要學生知道課程知識點的融合關系，要求學生牢固掌握開環控制系統和閉環控制系統的設計原則，合理判斷機電控制系統中電機的角色。

2.4 “機電傳動與控制”與“機械設計基礎”

“機電傳動與控制”的第一個字是“機”，說明學生在學習該門課程時需明白掌握“機械設計基礎”課程的必要性和重要性。“機電傳動與控制”課程要求學生掌握機械原理和機械設計的基本知識，知道機電傳動控制系統生產機械部分負載轉矩的計算過程，從而建立正確的機電模型，完成機電傳動控制系統的設計，因此需掌握平面連桿機構、凸輪機構、齒輪機構、帶傳動、鏈傳動、齒輪傳動、聯接等知識。在講授“機電傳動與控制”課程中的“運動基礎的計算”時，先要對學生掌握“機械設計基礎”課程的情況進行摸底，為建立正確的機電模型打下夯實的基礎。

3 “機電傳動與控制”課程與后修課程的關聯性研究

“機電傳動與控制”是機器人技術與應用方向和智能制造應用方向的專業必修課程。按照以成果為導向的人才培養方案，需要理清該課程對后續課程的影響。因此研究“機電傳動與控制”課程與后修課程的關聯性是十分必要的。以2018 級人才培養方案為研究背景，用1～2 門課程說明該研究的必要性和重要性。

3.1 “機電傳動與控制”與“機電系統設計”

通過學習“機電系統設計”，學生在了解機電一體化系統的技術全貌的前提下，可掌握機電一體化系統設計所涉及的關鍵技術和相關基本知識。學生通過課堂實物演示認知機電系統，通過理論講解和實例分析掌握相關理論知識，通過使用Arduino 單片機和傳感器對機電系統進行控制，通過實驗應用各種電機和傳感器。最終要求學生具備機電系統調試、維護、設計能力。因此學生一定要通過學習“機電傳動與控制”課程，建立正確的機電傳動控制系統，學會選擇及計算校核電動機，根據電動機的啟動、調速以及制動的原理認識直流電動機調速系統、交流電動機調速系統、步進電動機調速系統等。因此為達到畢業要求，學好“機電傳動與控制”課程十分必要。

3.2 “機電傳動與控制”與“電氣控制與PLC 應用”

“電氣控制與PLC 應用”是機器人技術與應用方向的第一個方向課，要求學生在掌握“機電傳動與控制”課程的基礎上，更深層次理解電氣控制原理。掌握常用PLC 指令的功能、編程方法，增強學生設計控制系統的能力，獲得工程師必備的知識儲備和技能訓練。“機電傳動與控制”第五章主要講授低壓控制電路的設計，這個章節涉及的重要內容為常見的低壓電器元件、機械生產中常見的低壓控制電路；要求學生根據對點動與長動、正反轉控制電路、順序控制電路、多地控制電路等的了解掌握低壓控制電路的設計方法。因此在學生更深層學習電氣控制原理時，對電氣原理圖、接線圖等都非常熟悉。此外繼電器-接觸器的控制電路的設計思想直接影響可編程控制的邏輯設計[4]。PLC 的編程語言比較多，但最常用的梯形圖設計的思想是在繼電器-接觸器的設計思想上演變而來的，因此學好“機電傳動與控制”課程對學生學好“電氣控制與PLC 應用”課程的幫助特別大。

4 “機電傳動與控制”課程成果導向的研究

“機電傳動與控制”課程考核的方式為平時成績分+期末考試成績分，期末考試試題的題型有選擇題、判斷題、簡答分析題、計算題、控制設計題。根據以成果為導向的教學大綱和考核方式，制定如下具體的考核方式：①為機械設計、電控設計等方面的工程問題建立適當的數學模型，并進行正確分析，給出解答。該項通過期末考試客觀題、簡答題以及計算題進行考核。②了解本專業創新途徑，掌握基本創新方法。主要通過課后學習進行考核，對機電模型的建立方式、電動機的應用和機電工程問題的解決進行具體考核。③能夠應用相關軟件和制圖知識，完成產品零件圖、裝配圖、電控原理圖、接線圖的繪制和樣機仿真運行與分析。期末考試時試卷中會有低壓控制電路設計題，要求學生們在不查閱資料的情況下，根據掌握的5 種基礎控制電路完成控制要求的設計；課后學習時，通過查閱資料完成低壓控制電路的原理圖的設計，掌握繪圖的技巧和方法。④能理解多學科背景下的團隊中個體與團隊的關系。該部分的考核主要是過程考核，學生們在學習本門課程期間，組成團隊，團隊成員不能多于4 人，要求每名學生在不同的任務中擔任領導者，分配組員之間的合作，完成教師布置的任務。過程考核的題目一般偏于討論類和設計類，這樣能充分調動學們的積極性。⑤能正確認識自主學習和終身學習的必要性。該部分主要通過課堂學習進行考核，主要通過出勤、課堂紀律和隨堂測試進行量化。大學期間應該學習的是方法和遵守一定的規則制度，所有出勤考驗的是不管什么情況，學生都應該按時出勤，遵守課堂紀律。將隨堂測試量化檢驗了學生掌握當堂課知識的情況，也說明了學生上課學習的方法等。

5 結語

通過對2018 級人才培養方案的研究，明確了“機電傳動與控制”課程和其他課程的關聯性，明確了“機電傳動與控制”課程中重要知識點的延伸性，明確了“機電傳動與控制”課程考核方式。上述考核方式已在機械電子工程專業2018 級“機電傳動與控制”課程中實施。2018 級29 名學生參與考核，僅1 人不及格，與2017 級考核成績相比有明顯進步。但學生的綜合設計應用能力、團隊協作能力、自主學習能力都需要提高和加強。